Additive Prozesskette zur Herstellung von thermoplastischen Faserverbundbauteilen-Hybridbauteilen

• Additive process chain for the production of thermoplastic fiber composite hybrid components

Janssen, Henning; Brecher, Christian (Thesis advisor); Fleischer, Jürgen (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : Apprimus (2020)
Buch, Doktorarbeit

In: Ergebnisse aus der Produktionstechnik 14/2020
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (VIII, 164 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Aus dem derzeitigen Stand der Erkenntnisse lässt sich ein Bedarf für eine wirtschaftliche und flexible Fertigung von maßgeschneiderten Faserverbundbauteilen auf Basis von unidirektionalen thermoplastischen Halbzeugen ermitteln. Diese Dissertation leistet dazu einen Beitrag, indem eine additive Prozesskette zur Herstellung von thermoplastischen Faserverbund-Hybridbauteilen erforscht wird. Die besondere Herausforderung bei der Fertigung von FVK-Bauteilen besteht darin, dass zwei verschiedene Materialphasen verarbeitet werden müssen und sich die Prozessschritte untereinander stark beeinflussen. Im Sinne des Wertschöpfungsmanagements bieten thermoplastische Tapes eine besondere Chance, die Halbzeugproduktion von der diskreten Bauteilfertigung zu entkoppeln, und trotzdem über eine ausreichendhohe Flexibilität zu verfügen. Aufbauend auf physikalischen Modellen der einzelnen Prozessschritte, Imprägnieren, Ablegen und Temperieren, wird eine Optimierung der Prozesskette, z. B. hinsichtlich der Tapeabmaße, durchgeführt. Dies beinhaltet ebenso eine Betrachtung der Prozessrobustheit, die anhand eines statistischen Modells der in-situKonsolidierung bewertet wird, wie auch die Untersuchung verschiedener Möglichkeiten zur Skalierung der Produktivität und deren Auswirkungen auf die Gesamtanlageneffektivität. Die gewonnenen Erkenntnisse fließen in die Entwicklung einer Anlagentechnik für die Herstellung von belastungs- und verschnittoptimierten Laminaten ein. Das resultierende, hochintegrierte Anlagenkonzept verfügt über ein IR-basiertes Ablegesystem, welches für die Herstellung ebener Laminate durch in-situ Konsolidierung optimiert ist und sich kostengünstig vervielfältigen lässt. Diese prototypische Anlage wird zur Prozessentwicklung und Laminatfertigung herangezogen. Auf Tapeebene kann nachgewiesen werden, dass die IR-unterstützte Tapeablage sowohl einen robusten Konsolidierungsprozessals auch eine verschnittminimierte Verarbeitung von unidirektionalen Tape sermöglicht. Eine ausführliche Charakterisierung der Laminate, zeigt, dass die mechanischen Eigenschaften mit Laminaten aus konventionellen Prozessen vergleichbar sind. Für die Verarbeitung der hergestellten Laminate zu Thermoplast-Hybridbauteilen wird eine neuartige Verfahrenskombination untersucht. Diese besteht aus einem Thermoformprozess, bei dem das Laminat hauptzeitparallel mit einer Thermoplast-Funktionsstrukturgefügt wird. Anhand einer exemplarisch geformten Trägerstruktur in Multimaterialbauweisewird aufgezeigt, dass eine stoffschlüssige Verbindung beider Fügepartnerdurch eine gezielte Prozessführung ermöglicht werden kann. Eine abschließende Bewertung der Hybridbauteile sowie der erforschten Prozesskette beantwortet die Forschungsfrage, dass eine wirtschaftliche Herstellung von belastungs- und verschnittoptimierten Laminaten aus unidirektionalen Tapes mittels in-situ Konsolidierung und deren Verarbeitung zu Hybridbauteilen möglich ist.